Carbonio-14

I tre isotopi del carbonio naturalmente presenti sulla Terra sono: ¹²C (99%), ¹³C (<1%) e in tracce il ¹⁴C. Il carbonio-14 è presente in natura con un'abbondanza relativa di 1 parte su mille miliardi di tutto il carbonio presente sulla Terra, a causa di un tempo di dimezzamento di soli 5730 anni. La principale fonte di carbonio-14 sulla Terra è la reazione tra i raggi cosmici e l'azoto gassoso presente nell'atmosfera (nella troposfera e nella stratosfera): l'assorbimento di neutroni termici da parte dell'azoto forma un atomo di carbonio-14:

¹⁴N + n → ¹⁴C + p

La produzione maggiore di carbonio-14 avviene ad una quota tra i 9 e i 15 km e ad alte latitudini geomagnetiche. Il carbonio-14 così prodotto reagisce con l'ossigeno per dare anidride carbonica ¹⁴CO₂, che viene riutilizzata dalle piante durante la fotosintesi clorofilliana. In questo modo il carbonio-14 si trasferisce nei composti organici e, attraverso la rete alimentare, è presente ovunque secondo un preciso rapporto (abbondanza isotopica). Essa penetra anche negli oceani, sciogliendosi nell'acqua.

Il carbonio-14 è anche prodotto nel ghiaccio da neutroni che causano reazioni di spallazione nucleare nell'ossigeno.

Il carbonio-14 può inoltre essere prodotto dai fulmini ma in quantità trascurabili in confronto ai raggi cosmici.

Occasionalmente possono verificarsi dei picchi. Per esempio, vi è la prova di un aumento insolitamente alto del tasso di produzione nel periodo compreso tra il 774 e il 775 d.C., causato probabilmente da un evento estremo, rappresentato dal brillamento solare più forte degli ultimi dieci millenni.

Grazie alla sua lunga emivita rispetto alla vita degli organismi viventi, il carbonio-14 rimane integrato in ogni sistema organico vivente. Dopo la morte, l'organismo smette di assumere carbonio-14. La quantità dell'isotopo presente nell'organismo nell'istante della sua morte andrà via via affievolendosi negli anni a causa del decadimento radioattivo.

Questo principio è sfruttato nella datazione radiometrica di campioni organici, tecnica con la quale si misura la quantità residua di carbonio-14 presente in un reperto archeologico organico (come un fossile o una struttura in legno): conoscendo la curva di decadimento e la quantità iniziale di carbonio-14 presente nel reperto quando la sua struttura organica era ancora vitale (ovvero un istante prima di morire), si può facilmente stabilire quanti anni sono trascorsi dalla morte dell'organismo. In generale, è possibile radiodatare solo reperti risalenti fino a 40 000-60 000 anni fa.

La maggior parte dei prodotti chimici prodotti dall'uomo è ottenuta a partire da combustibili fossili come il petrolio o il carbone, dove il carbonio-14 è decaduto. La presenza di tracce isotopiche di carbonio-14 in un campione di materiale carbonaceo indica quindi una possibile origine biogenica.

Formazione durante test nucleari

I test nucleari superficiali che vennero eseguiti in molti paesi tra il 1945 e il 1980 hanno drammaticamente aumentato la quantità di carbonio-14 nell'atmosfera e quindi anche nella biosfera. Da quando i test sono stati sospesi la concentrazione dell'isotopo ha cominciato a diminuire. Infatti la concentrazione di carbonio-14 in atmosfera corrisponde attualmente ad un'attività di 238 Bq/Kg[13] (prima dei test nucleari avvenuti a partire dal 1950 corrispondeva a 226 Bq/Kg[13]).

Il carbonio-14 ha un'attività specifica (definita come il rapporto tra l’attività, A (Bq), di una sostanza radioattiva contenente un radionuclide e la massa in grammi quel radionuclide presente nella sostanza) di 1,66^.10¹¹ Bq/g.

Il carbonio-14 subisce un decadimento beta- e decade quindi per emissione di un elettrone dando origine al nucleo figlio di azoto-14:

¹⁴C → ¹⁴N + e⁻ + ν_e + 156,476 keV

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